EP0555508A1 - Verfahren und Vorrichtung zur simultanen Bestimmung der Konzentrationen von Molekülverbindungen in Gasen und Flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur simultanen Bestimmung der Konzentrationen von Molekülverbindungen in Gasen und Flüssigkeiten Download PDF

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EP0555508A1
EP0555508A1 EP92102499A EP92102499A EP0555508A1 EP 0555508 A1 EP0555508 A1 EP 0555508A1 EP 92102499 A EP92102499 A EP 92102499A EP 92102499 A EP92102499 A EP 92102499A EP 0555508 A1 EP0555508 A1 EP 0555508A1
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radiation
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stationary
chopper
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Gunther Prof.Dr.-Ing. Krieg
Karl Dipl.-Ing.(Fh) Koukolitschek
Wilfried Maier
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/10—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void
    • G01J1/20—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle
    • G01J1/34—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle using separate light paths used alternately or sequentially, e.g. flicker
    • G01J1/36—Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle using separate light paths used alternately or sequentially, e.g. flicker using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G02B26/04—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light by periodically varying the intensity of light, e.g. using choppers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J2001/4242—Modulated light, e.g. for synchronizing source and detector circuit

Definitions

  • the invention relates to a method for the quick and precise determination of the concentrations of optical radiation-absorbing molecular compounds in gases and liquids and to a device for the quick and precise measurement of the optical absorption by molecular compounds.
  • Such methods and devices have become known in many different ways. They have an optical radiation source, a cell for receiving the medium to be examined, an optical radiation receiver with downstream electronic signal processing, and measures for optically filtering the radiation.
  • optical radiation source a cell for receiving the medium to be examined
  • optical radiation receiver with downstream electronic signal processing
  • measures for optically filtering the radiation are often used, which periodically interrupt the optical radiation and thus enable AC signal processing.
  • choppers consist of rotating circular disks or bodies that move back and forth in a pendulum shape, which have specially shaped openings or webs and thereby modulate the optical radiation.
  • the disadvantage of the chopper systems used to date according to the prior art is that the high chopper frequencies required due to the 1 / f noise of the electrical components and the special physical properties of the radiation detectors cannot be easily and inexpensively implemented in order to achieve the required signal / To achieve noise ratio.
  • This requires high rotational frequencies of the drive motors and accordingly leads to rapid wear of the bearings and the other mechanical components.
  • the latter has a disadvantageous effect, in particular in the case of modern semiconductor radiation detectors, since, for example, PbS, PbSe, HgCdTe, InSb work optimally at relatively high chopper frequencies in the range of a few kilohertz.
  • the invention is therefore based on the object of further developing a method and a device of the type mentioned in such a way that at a low rotational speed of the chopper drive a frequency of radiation modulation which is higher by a factor of 10 to 10,000 is achieved and that inevitable jitter effects of the chopper do not lead to deterioration lead of measuring accuracy, reproducibility and zero point stability, but in comparison to the prior art in practice an improvement of the above three sizes and an improvement in the detection limits with respect to the measurement of the concentrations of the molecular compounds to be determined by at least a factor of 10 each.
  • the stated object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, which is characterized in that the chopper system has, in addition to the moving part, a stationary element, the geometry of which at least in part corresponds to the geometry of the stationary element.
  • a device according to the invention provides that the optical radiation from a source passes through the chopper system consisting of a stationary and moving part and that a detector system analyzes the radiation and simultaneously determines the respective concentrations of the molecular compounds of interest.
  • the translucent or opaque sectors must be at least as large as the beam cross-section in order to achieve the full depth of modulation, so that generally only a modulation frequency increased by a factor of 10 compared to the speed of the chopper drive is achieved, the method according to the invention has a modulation frequency that is increased by a factor of 10 to 10,000 compared to the drive frequency.
  • the latter is achieved in that both the moving and the stationary part of the chopper system have translucent or opaque sectors which have significantly smaller geometric dimensions than the beam cross section.
  • the entire beam cross-section is constantly modulated, ie, in contrast to the prior art, there is no need to wait until the respective chopper opening has changed has moved across the entire beam cross-section. Rather, the time is shorter by the factor of the beam diameter divided by the opening width of the chopper bars.
  • the webs of the moving part of the chopper system are narrower than the stationary openings or the webs of the stationary part are narrower than the moving openings.
  • approximately rectangular time-dependent intensity signals with high slope are achieved.
  • the latter enables time-dependent signals at the detector, which are characterized by a plateau.
  • the signals are evaluated in such a way that the center area of the plateau is evaluated, so that, as a further advantage compared to the prior art, fluctuations in the chopper frequency, i.e. Jitter effects, do not adversely affect the measurement accuracy. If the bars of one part of the chopper system are in front of the gaps in the other part, the beam path is darkened to a maximum.
  • the system is used for the multi-component analysis of several molecular compounds.
  • the respective gas component is selected using an optical interference filter, the transmission wavelength of which coincides with the absorption wavelength of the gas to be examined.
  • a combination of optical filter and gas filter ie one with the investigating gas-filled cell, can be pivoted into the beam path.
  • several such interference filters or combinations of interference filter and gas filter are simultaneously pivoted into the beam path.
  • the stationary and moving parts of the chopper system have a plurality of sector systems, each with a different number of sectors.
  • the different sector systems are assigned to different gases, ie provided with different interference filters or gas filters.
  • the different modulation frequencies assigned to the respective gases are separated and further processed on the detector by lock-in amplifiers with a center frequency adapted to the respective modulation frequency.
  • the invention provides a method and a device for the simulated measurement of the concentrations of molecular compounds by optical absorption, which, in contrast to the prior art with a simple and inexpensive design, a high chopper frequency at low speed of the drive element, i.e. without the use of gears, enables and at the same time has the purpose according to the invention that fluctuations in the chopper frequency do not have a disturbing effect on the measuring accuracy.
  • a linear, relative back and forth movement of the two subsystems 1, 2 against one another can also take place.
  • the webs 3, 4 are not arranged radially, but parallel to one another.
  • FIG. 2 shows a system which enables a constant signal at the detector 31, 45 even with a fluctuating chopper frequency, ie with a jitter from disk 1, 7, 37, 41.
  • the webs 9 of the moving part 7 are made thinner than the openings 12 of the stationary part 8 or the webs of the stationary part 10 are made thinner than the openings 11 of the moving part 7.
  • the system according to the invention consisting of a moving chopper subsystem 41, 37 (FIG. 4.5) and a stationary chopper subsystem 28, 42 chops the radiation 27, 62, 63 from an optical radiation source 24, 40.
  • a radiation detector 31, 45 generates intensity-dependent, time-dependent voltage / current profiles 13, 14, which are processed by electronic signal processing 35, 48, 49.
  • the optical spectral range of interest in each case is passed through optical interference filters 32, 33, 46, 47, the desired filters being simultaneously swung in via a motor 26, 52.
  • a light barrier 34, 50 is used, which in particular enables the use of the lock-in technique or permits an integral formation according to FIG.
  • the integrals 19, 20 are formed within each signal period 13, 14 synchronously with the clock of the light barrier 34, 50 and are subjected to a temporal averaging over a plurality of signal periods 13, 14 via a low-pass filter.
  • the simultaneous measurement of several molecular compounds is possible in that at least two optical interference filters 46, 47 are simultaneously pivoted into the beam path 62, 63 and that the moving part 41 of the chopper system 53 and the stationary part 42 of the chopper system have at least 2 web systems / 2 opening systems 54.55 / 56.57.
  • the web systems / opening systems located on a carrier are characterized by different sector numbers: up to the radius R1, which is assigned to the center of the radiator 40, the sector number S1 and outside the radius R1, the sector number S2 is realized.
  • Correspondingly arranged light barriers 58, 59 determine the different chopper frequencies f1 and f2.
  • two alternating voltage signals of frequency f1 and f2 are obtained at the same time at the radiation detector 45.
  • These frequencies are each assigned to the optical interference filters 46, 47.
  • These interference filters have optical transmittances at different wavelengths, which correspond to the wavelengths of the absorption bands of the gases to be examined. Accordingly, the gas components or molecular compounds of a liquid contained in the measuring cell 44 weaken the intensity of the assigned wavelength. From this weakening, the assigned concentration of the molecular compound of interest is computed in accordance with the well-known Beer law determined by the electrical signal processing 48, 49 with a downstream microprocessor.
  • the alternating voltages of the frequencies f1, f2 present at the detector 45 are converted into two intensity-proportional output signals 60, 61 via lock-in amplifiers 48, 49 with the center frequencies f1, f2 using the synchronization signals 58, 59, the previously Difference of the integrals according to formula (1) is formed.
  • This allows a clear separation of the frequencies f1, f2 and thus the wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2 ie the signals assigned to the molecular connections 1,2 on the detector 45.
  • the number of the molecular compounds to be examined simultaneously can be increased by two, by selecting the number of interference filters 46.47 and the sectors 54, 55, 56, 57 with different web numbers and different radius ranges greater than two.
  • the mechanical chopper systems can be omitted in that clocked radiation sources 70, 71, 72 of different clock frequencies f1, f2, f3, which are in series with spectral filters, be used.
  • the clock signals of the clock generators 73, 74, 75 are used in addition to the control for the radiation sources 70, 71, 72 for the synchronization of the amplifiers 76, 77, 78 of the center frequencies f1, f2, f3.
  • the integral formation, the time switching of the integrators 80, 81, 82, the storage 83 and the further processing of the stored data via a microcontroller 84 take place in accordance with the instructions for technical action according to FIG. 5.
  • reference detectors 86, 87, 88 can be constructed before the radiation passes through the measuring cell 99, ie before the radiation enters through the first window 89 of the measuring cell.
  • the assigned signals 90, 91, 92 are amplified by amplifiers 93, 94.95 and fed to the microcontroller 84, which carries out the corrections to compensate for the intensity fluctuations of the radiation sources 70, 71, 72.

Abstract

Die Vorrichtung ermöglicht die simultane Messung der Konzentrationen bzw. Strahlungsabsorptionen von Multikomponenten-Gemischen mit Hilfe nur eines einzigen hinter der Meßzelle befindlichen Strahlungsdetektors bei hoher Meßgenauigkeit, Langzeitstabilität und geringen Kosten. Zur Lösung der Aufgabe wird verfahrensmäßig vorgeschlagen, daß durch das Medium Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge bei unterschiedlicher Taktfrequenz hindurchgesandt und die am Strahlungsdetektor erzeugten molekülspezifischen Signale durch Schmalbandverstärker unterschiedlicher Mittenfrequenzen getrennt werden. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, daß der Strahlungsquelle (40) ein Choppersystem (53) aus stationären Teilsystemen (42,56,57) und bewegten Teilsystemen (41,54,55) nachgeordnet ist und daß die Strahlungen (62,63) von Schmalbandverstärkern (48,49) getrennt und weiterverarbeitet werden. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen und präzisen Bestimmung der Konzentrationen von optische Strahlung absorbierenden Molekülverbindungen in Gasen und Flüssigkeiten sowie eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen Messung der optischen Absorption durch Molekülverbindungen.
  • Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind in verschiedenartigster Weise bekannt geworden. Sie weisen eine optische Strahlungsquelle, eine Zelle zur Aufnahme des zu untersuchenden Mediums, einen optischen Strahlungsempfänger mit nachgeschalteter elektronischer Signalverarbeitung, sowie Maßnahmen zur optischen Filterung der Strahlung auf. Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses werden oftmals mechanische Chopper eingesetzt, welche die optische Strahlung periodisch unterbrechen und damit eine Wechselstrom-Signalverarbeitung ermöglichen. Diese Chopper bestehen aus rotierenden Kreisscheiben oder pendelförmig hin- und herbewegten Körpern, die speziell geformte Öffnungen oder Stege aufweisen und dadurch eine Modulation der optischen Strahlung bewirken.
  • Der Nachteil der gemäß dem Stand der Technik bisher eingesetzten Choppersysteme besteht darin, daß die aufgrund des 1/f-Rauschens der elektrischen Bauelemente sowie der speziellen physikalischen Eigenschaften der Strahlungsdetektoren erforderlichen hohen Chopperfrequenzen nicht einfach und nicht kostengünstig realisiert werden können, um das geforderte Signal/Rausch-Verhältnis zu erreichen. Das erfordert hohe Rotationsfrequenzen der Antriebsmotoren und führt dement- sprechend zu einem schnellen Verschleiß der Lager sowie der übrigen mechanischen Komponenten. Letzteres wirkt sich insbesondere bei modernen Halbleiter-Strahlungsdetektoren nachteilig aus, da z.B. PbS-, PbSe-, HgCdTe-, InSb- bei relativ hohen Chopperfrequenzen im Bereich von einigen Kilohertz optimal arbeiten.
    Da ferner die Strahlungsbündel zur möglichst gleichmäßigen Ausleuchtung der Gas-/Flüssigkeits- Meßzelle einen großen Durchmesser bzw. einen großen Querschnitt aufweisen müssen, tritt bei den Systemen gemäß dem Stand der Technik zudem als weiterer Nachteil eine zeitliche Verschmierung der Strahlungsimpulse am Detektor auf, was zu Komplikationen und Kostensteigerungen bei der elektronischen Signalverarbeitung führt. Außerdem ist aufgrund der unvermeidlichen Jittereffekte beim Chopper damit eine einschneidende Verschlechterung der Meßgenauigkeit, der Reproduzierbarkeit und der Nullpunktsstabilität verbunden. Im Zuge der weltweit gesetzlich verfügten Absenkungen der Schadstoffkonzentrationen in Emissionen, an Arbeitsplätzen und in festen bzw. flüssigen Gütern, wie z.B. Lebensmitteln, ist jedoch die Verbesserung der drei obengenannten Größen im Vergleich zum Stand der Technik zwingend erforderlich.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei niedriger Drehzahl des Chopperantriebs eine um den Faktor 10 bis 10000 höhere Frequenz der Strahlungsmodulation erzielt wird und daß ferner unvermeidliche Jittereffekte des Choppers nicht zu Verschlechterungen von Meßgenauigkeit, Reproduzierbarkeit und Nullpunktsstabilität führen, sondern im Vergleich zum Stand der Technik in der Praxis eine Verbesserung der oben genannten drei Größen sowie eine Verbesserung der Nachweisgrenzen bezüglich der Messung der Konzentrationen der zu bestimmenden Molekülverbindungen um mindestens jeweils den Faktor 10 ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Choppersystem neben dem bewegten Teil ein stationäres Element aufweist, dessen Geometrie zumindest in einem Teilbereich mit der Geometrie des stationären Elements weitgehend übereinstimmt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß die optische Strahlung einer Quelle das aus stationärem und bewegtem Teil bestehende Choppersystem durchläuft und daß ein Detektorsystem die Strahlung analysiert und die jeweiligen Konzentrationen der interessierenden Molekülverbindungen simultan ermittelt.
  • Während bei den Choppersystemen gemäß dem Stand der Technik die lichtdurchlässigen- bzw. lichtundurchlässigen Sektoren mindestens so groß sein müssen wie der Strahlquerschnitt, um die volle Modulationstiefe zu erreichen, so daß im allgemeinen nur eine um den Faktor 10 im Vergleich zur Drehzahl des Chopperantriebs erhöhte Modulationsfrequenz erreicht wird, weist das erfindungsgemäße Verfahren eine um den Faktor 10 bis 10000 gegenüber der Antriebsfrequenz erhöhte Modulationsfrequenz auf. Letzteres wird dadurch erreicht, daß sowohl der bewegte, als auch der stationäre Teil des Choppersystems lichtdurchlässige bzw. lichtundurchlässige Sektoren aufweisen, die wesentlich kleinere geometrische Abmessungen aufweisen, als der Strahlquerschnitt. Durch die Relativbewegung zwischen dem stationären und dem beweglichen Teil des Choppers wird ständig der gesamte Strahlquerschnitt moduliert, d.h. es muß im Unterschied zum Stand der Technik nicht abgewartet werden bis die jeweilige Chopperöffnung sich über den gesamten Strahlquerschnitt hinwegbewegt hat. Vielmehr ist die Zeit um den Faktor Strahldurchmesser dividiert durch Öffnungsbreite der Chopperstege kürzer.
  • In einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die Stege des bewegten Teils des Choppersystems schmaler ausgebildet als die stationären Öffnugen oder sind die Stege des stationären Teils schmaler ausgebildet als die bewegten Öffnungen. Dadurch werden annähernd recheckförmige zeitabhängige Intensitätssignale mit hoher Flankensteilheit erzielt. Letzteres ermöglicht zeitabhängige Signale am Detektor, die durch ein Plateau gekennzeichnet sind. Erfindungsgemäß erfolgt die Auswertung der Signale so, daß der Mittenbereich des Plateaus ausgewertet wird, so daß als weiterer Vorteil im Vergleich zum Stand der Technik Schwankungen der Chopperfrequenz d.h. Jittereffekte, sich nicht nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirken. Stehen die Stege des einen Teils des Choppersystems jeweils vor den Lücken des anderen Teils, so wird der Strahlengang maximal abgedunkelt. Bewegt sich der eine Teil jeweils um eine halbe Periode weiter, so ist der Strahlengang maximal geöffnet. Man erhält somit eine Chopperfrequenz, die sich aus dem Produkt von Frequenz des Chopperantriebs und der Sektorenzahl des Choppers ergibt. Bei einer Sektorenzahl von z.B. 100 erhält man bei einer Frequenz des antreibenden Motors von 30 pro Sekunde eine Modulationsfrequenz von 3 kHz. Da dieses erfindungsgemäße Choppersystem im Vergleich zum Stand der Technik im allgemeinen sehr kleine Strukturen im Bereich von 10 - 5000 Mikrometer aufweist, ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung die Herstellung des Systems unter Einsatz neuer Methoden der Mikrostrukturtechnik.
  • In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird das System zur Multikomponentenanalyse von mehreren Molekülverbindungen eingesetzt. Die Auswahl der jeweiligen Gaskomponente erfolgt durch ein optisches Interferenzfilter, dessen Transmissionswellenlänge mit der Absorptionswellenlänge des zu untersuchenden Gases zusammenfällt. Alternativ kann eine Kombination von optischem Filter und Gasfilter, d.h. eine mit dem zu untersuchenden Gas gefüllte Zelle, in den Strahlengang geschwenkt werden. Für die Multikomponentenanalyse werden mehrere solcher Interferenzfilter bzw. Kombinationen aus Interferenzfilter und Gasfilter simultan in den Strahlengang geschwenkt.
    In einer weiteren bevorzugten und vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weisen die stationären und bewegten Teile des Choppersystems mehrere Sektorensysteme mit jeweils unterschiedlicher Sektorenzahl auf. Ferner sind die unterschiedlichen Sektorenssysteme unterschiedlichen Gasen zugeordnet, d.h. mit unterschiedlichen Interferenzfiltern bzw. Gasfiltern versehen. Die den jeweiligen Gasen zugeordneten unterschiedlichen Modulationsfrequenzen werden am Detektor durch Lock-In-Verstärker mit an die jeweilige Modulationsfrequenz angepaßter Mittenfrequenz separiert und weiterverarbeitet.
  • Insgesamt wird durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur simultenen Messung der Konzentrationen von Molekülverbindungen durch optische Absorption geschaffen, die im Gegensatz zum Stand der Technik bei einfacher und preisgünstiger Ausgestaltung eine hohe Chopperfrequenz bei niedriger Drehzahl des Antriebselements, d.h. ohne Einsatz von Getrieben, ermöglicht und gleichzeitig erfindungsgemäß bezweckt, daß Schwankungen der Chopperfrequenz sich nicht störend auf die Meßgenauigkeit auswirken.
  • Weiter Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    Eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    Fig. 2
    Eine Weiterentwicklung der Ausführung von Fig. 1
    Fig. 3
    Eine durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugte Signalfolge am Strahlungsdetektor
    Fig. 4
    Ein erfindungsgemäßes Gesamtsystem zur Detektion der Konzentrationen von Molekülverbindungen in Flüssig keiten und Gasen
    Fig. 5
    Ein erfindungsgemäßes Gesamtsystem zur simultanen Detektion der Konzentrationen mehrerer Molekülverbindungen in Flüssigkeiten und Gasen
    Fig. 6
    Ein erfindungsgemäßes Gesamtsystem zur simultanen Detektion der Konzentration mehrerer Molekülverbindungen unter Einsatz von getakteten Lichtquellen
    Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in der dargestellten Ausführungsform ein bewegtes Element 1 und ein feststehendes Element 2 auf. Element 1 und Element 2 sind im wesentlichen deckungsgleich übereinander bzw. nebeneinander angeordnet. Bei Rotation der Segmentscheibe 1 wird der Strahlengang 27, 62,63 abwechslungweise freigegeben bzw. abgedeckt, indem die Stege 3 des bewegten Systems 1 über den Stegen 4 bzw. die Öffnungen 5 über den Öffnungen 6 des stationären Systems 2 zu liegen kommen. In einer speziellen Ausführungsform kann das stationäre System 2 identisch wie das bewegte System 1, d.h. als ganze Scheibe, ausgebildet sein.
  • In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann anstelle der Rotation auch eine lineare, relative Hin- und Herbewegung der beiden Teilsysteme 1,2 gegeneinander stattfinden. In diesem Fall werden die Stege 3,4 nicht radial, sondern parallel zueinander angeordnet.
  • In Weiterentwicklung von der in Fig. 1 dargestellten Chopperanordnung zeigt Fig. 2 ein System, das auch bei schwankender Chopperfrequenz, d.h. bei einem Jitter von Scheibe 1,7,37,41 ein konstantes Signal am Detektor 31,45 ermöglicht. Zu diesem Zweck sind die Stege 9 des bewegten Teils 7 dünner ausgebildet als die Öffnungen 12 des stationären Teils 8 bzw. sind die Stege des stationären Teils 10 dünner ausgebildet als die Öffnungen 11 des bewegten Teils 7. Während bei identischer Breite von Stegen 1,4 und Öffnungen 5,6 der zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität gemäß der Kurve 13 (Fig. 3) ausgebildet ist, erhält man für den Fall, daß die Stege 9 des bewegten Teils 7 dünner ausgebildet sind als die Öffnungen 12 des stationären Teils 8, einen Strahlungsintensitätsverlauf gemäß der Kurve 14. Letztere weist gegenüber der Kurve 13 den Vorteil auf, daß die durch Frequenzschwankungen bedingten Jittereffekte 15,16,17,18 sich dadurch nicht störend auswirken, daß zur Auswertung des Detektorsignals nur die Bereiche 19,20 herangezogen werden, die durch ein Plateau gekennzeichnet sind. Indem man nacheinander die Integrale 21,22 bildet, die innerhalb der Jitterbereiche liegen, und die Differenz von Integral 21 - Integral 22 bildet, wird ein jitterfreies Endresultat erzielt, das durch höhere Meßgenauigkeit, bessere Nullpunktsstabilität und bessere Nachweisempfindlichkeit im Vergleich zum Stand der Technik gekennzeichnet ist.
    Die Auswertung erfolgt nach dem Beer'schen Gesetz unter Nutzung der Formel

    C₁ = K₁ x log(Integral Max - Integral Min )₁   (1)
    Figure imgb0001

    wobei ₁ für die Gaskomponente ₁ steht und K₁ eine Konstante ist, welche die Konzentration C₁ an den Absolutwert der Konzentration der Komponente anpaßt. IntegralMax ist die Fläche 21, IntegralMin ist die Fläche 22 in Fig. 3.
  • Das aus bewegtem Chopper-Teilsystem 41,37 (Fig. 4,5) und stationärem Chopper-Teilsystem 28,42 bestehende erfindungsgemäße System zerhackt die Strahlung 27,62,63 einer optischen Strahlungsquelle 24,40. Ein Strahlungsdetektor 31,45 erzeugt intensitätsproportionale zeitabhängige Spannungs/Stromverläufe 13,14, die von einer elektronischen Signalverarbeitung 35,48,49 verarbeitet werden. Der jeweils interessierende optische Spektralbereich wird durch optische Interferenzfilter 32,33,46,47 durchgelassen, wobei die jeweils gewünschten Filter über einen Motor 26,52 simultan eingeschwenkt werden. Zur Synchronisation der elektronischen Signalverarbeitung 35,48,49 und der Chopperfrequenz wird eine Lichtschranke 34,50 eingesetzt, die insbesondere den Einsatz der Lock-In-Technik ermöglicht bzw. eine Integralbildung gemäß Fig. 3 unter Einhaltung der Zeitintervalle 19,20 d.h. unter Ausnutzung der Intensitätsplateaus gestattet. Dabei werden in Abwandlung der üblichen Lock-In-Technik synchron mit dem Takt der Lichtschranke 34,50 die Integrale 19,20 innerhalb jeder Signalperiode 13,14 gebildet und über einen Tiefpaß einer zeitlichen Mittelwertbildung über mehrere Signalperioden 13,14 unterzogen.
  • In einer besonderen Ausbildung gemäß Fig.5 ist die simultane Messung mehrerer Molekülverbindungen dadurch möglich, daß gleichzeitig mindestens zwei optische Interferenzfilter 46,47 in den Strahlengang 62,63 geschwenkt werden und daß der bewegte Teil 41 des Choppersystems 53 sowie der stationäre Teil 42 des Choppersystems mindestens 2 Stegsysteme/2 Öffnungssysteme 54,55/56,57 aufweisen. Die auf einem Träger jeweils befindlichen Stegsysteme/Öffnungssysteme sind durch unterschiedliche Sektorenzahlen gekennzeichnet: Bis zum Radius R1, der der Mitte des Strahlers 40 zugeordnet ist, wird die Sektorenzahl S1 und außerhalb des Radius R1 die Sektorenzahl S2 realisiert. Entsprechend angeordnete Lichtschranken 58,59 ermitteln die unterschiedlichen Chopperfrequenzen f1 und f2. Dadurch erhält man am Strahlungsdetektor 45 gleichzeitig zwei Wechselspannungssignale der Frequenz f1 und f2. Diese Frequenzen sind jeweils den optischen Interferenzfiltern 46,47 zugeordnet. Diese Interferenzfilter weisen optisch Durchlässigkeiten bei verschiedenen Wellenlängen auf, die den Wellenlängen der Absorptionsbanden der zu untersuchenden Gase entsprechen. Dementsprechend bewirken die in der Meßzelle 44 enthaltenen Gaskomponenten bzw. Molekülverbindungen einer Flüssigkeit eine Schwächung der Intensität der zugeordneten Wellenlänge. Aus dieser Schwächung wird die zugeordnete Konzentration der interessierenden Molekülverbindung gemäß dem bekannten Beer'schen Gesetz rechnerisch durch die elektrische Signalverarbeitung 48,49 mit nachgeschaltetem Mikroprozessor ermittelt. In einer bevorzugten Ausbildung werden die am Detektor 45 vorliegenden Wechselspannungen der Frequenzen f1, f2 über Lock-In-Verstärker 48,49 mit den Mittenfrequenzen f1,f2 unter Ausnutzung der Synchronisationssignale 58,59 in zwei intensitätsproportionale Ausgangssignale 60,61 umgewandelt, wobei zuvor die Differenz der Integrale gemäß Formel (1) gebildet wird. Dadurch ist eine klare Trennung der den Frequenzen f1, f2 und damit den Wellenlängen λ₁, λ₂ d.h. den Molekülverbindungen 1,2 zugeordneten Signale am Detektor 45 möglich. Selbstverständlich kann die Zahl der simultan zu untersuchenden Molekülverbindungen über zwei gesteigert werden, indem die Zahl der Interferenzfilter 46,47 sowie der Sektoren 54,55,56,57 mit unterschiedlichen Stegzahlen und unterschiedlichen Radienbereichen größer als jeweils zwei gewählt wird.
  • Um Jittereffekte in ihrer Wirkung auszuschalten, werden über eine Zeitschaltung 64 nur die Bereiche 21,22 innerhalb der Plateaus 19,20 der Signalfunktionen am Detektor ausgeblendet, die selbst bei Existenz eines Jitters außerhalb der ansteigenden bzw. abfallenden Flanken der Signalfunktionen 14 liegen. Die innerhalb der zugeordneten Zeitfenster 19,20 liegenden Signalteile werden über Integratoren 65,66 integriert und die Impulse in einen Speicher 67 zwischengespeichert. Von einem Mikrokontroller 68 werden die Differenzen der Integrale gebildet, anschließend einer Mittelwertbildung über mehrere Perioden unterzogen, der Mittelwert logarithmiert und das Ergebnis über einen konstanten Faktor an die absoluten Konzentrationen der Molekülverbindungen angepaßt.
  • In einer speziellen Ausbildung (Fig.6) der Erfindung können die mechanischen Choppersysteme entfallen, indem getaktete Strahlungsquellen 70,71,72 unterschiedlicher Taktfrequenzen f1,f2,f3, die in Serie mit Spektralfiltern stehen, eingesetzt werden. Dabei werden die Taktsignale der Taktgeneratoren 73,74,75 neben der Ansteuerung für die Srahlungsquellen 70,71,72 für die Synchronisation der Verstärker 76,77,78 der Mittenfrequenzen f1,f2,f3 verwendet. Die Integralbildung, die Zeitschaltung der Integratoren 80,81 82, die Speicherung 83 und die Weiterverarbeitung der gespeicherten Daten über einen Mikrokontroller 84 erfolgt entsprechend der Anleitung zum technischen Handeln gemäß Fig.5. Um Intensitätsschwankungen der Strahlungsquellen 70,71,72 zu erfassen und bei der Auswertung zu berücksichtigen, können Referenzdetektoren 86,87,88 vor dem Durchgang der Strahlung durch die Meßzelle 99 d.h. vor Eintritt der Strahlung durch das erste Fenster 89 der Meßzelle, aufgebaut sein. Die zugeordneten Signale 90,91,92 werden von Verstärkern 93, 94,95 verstärkt und dem Mikrokontroller 84 zugeführt, welcher die Korrekturen zur Kompensation der Intensitätsschwankungen der Strahlungsquellen 70,71,72 durchführt.

Claims (34)

  1. Verfahren zum Messen der Konzentrationen unter Ausnutzung der Strahlungsabsorption der interessierenden Molekülverbindungen, wobei die durch das Medium hindurchtretende Strahlung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges strahlungsempfindliches Sensorelement zur Detektion der durch das Medium geschwächten Strahlung eingesetzt und simultan mehrere Molekülverbindungen bestimmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung durch ein mechanisches Choppersystem moduliert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, das das Choppersystem aus einem stationären und einem sich bewegenden Teilsystem besteht, die im Strahlengang nacheinander angeordnet sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stationäre Teilsystem und das sich bewegende Teilsystem strahlungsdurchlässige und strahlungsundurchlässige Öffnungen und Stege aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen und Stege die gleiche Breite aufweisen.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen des stationären Teils breiter sind als die Stege des bewegten Teils oder daß die Öffnungen des bewegten Teils breiter sind als die Stege des stationären Teils
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich sowohl auf dem stationären, als auch auf dem bewegten Teilsystem mehrere Anordnungen aus Stegen und Öffnungen befinden, wobei die verschiedenen Anordnungen sich durch die Zahl und die Breite von Stegen und Öffnungen unterscheiden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierlich strahlende Quelle eingesetzt wird
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektronisch getaktete Strahlungsquellen eingesetzt werden, die sich durch ihre Taktfrequenzen unterscheiden
  10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung jeder Taktfrequenz ein separates Spektralfilter durchläuft.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionwellenlänge eines Spektralfilters einer Absorptionswellenlänge der zu bestimmenden Molekülverbindung entspricht.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionwellenlänge mindestens eines Spektralfilters außerhalb von Absorptionwellenlängen des Mediums liegt.
  13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spektralfilter unterschiedlicher Transmissionswellenlängen simultan in den Strahlengang geschwenkt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine frequenzselektive und phasenselektive Auswertung der Sensorsignale erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich die Mittenbereiche der Plateaus der Sensorsignale ausgewertet werden, und daß eine Integralbildung dieser Mittelbereiche stattfindet.
  16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß photoelektrische Sensorelemente wie z.B. Si, PbS, PbSe, HgCdTe, InSb, eingesetzt werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente in photoelektrischer Schaltungskonfiguration betrieben werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Sensorelemente zur Detektion der ungeschwächten Strahlung vor dem Durchgang durch das Medium eingesetzt werden.
  19. Vorrichtung zu Messung der Konzentrationen unter Ausnutzung der Strahlungsabsorption eines Mediums, mit mindestens einer Strahlungsquelle dadurch gekennzeichnet, daß dem Medium ein einziges Strahlungssensorelement 45 nachgeordnet ist und daß mehrere parallelgeschaltete Schmalbandverstärker 48,49,76,77,78 dem Sensorelement 45, 85 folgen.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnent, daß ein Choppersystem 53 zwischen Strahlungsquelle 40 und Sensorelement 45 sich befindet.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Choppersystem 53 einen stationären Teil 42 und einen sich bewegenden Teil 41 aufweist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das stationäre Teilsystem 42 und das sich bewegende Teilsystem 41 abwechselnd strahlungsdurchlässige und strahlungsundurchlässige Öffnungen 5,6,11,12 und Stege 3,4,9,10 aufweisen.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen 5,6 dieselbe Breite aufweisen, wie die Stege 3,4
  24. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Öffnungen 11 größer ist als die Breite der Stege 10 oder daß die Breite der Öffnungen 12 größer ist als die Breite der Stege 9.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen 5,6,11,12 und Stege 3,4,9,10 Quer-Abmessungen im Bereich zwischen 10 und 5000 Mikrometer aufweisen.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären und die bewegten Teilsysteme 1,2,7,8 mehrere nebeneinanderliegende Anordnungen 54,55,56,57 aus Stegen und Öffnungen enthalten mit verschiedenen Zahlen an Stegen und Öffnungen.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle 40 kontinuierlich strahlt.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektronisch getaktete Strahlungsquellen 70,71,72 vervendet werden, wobei die Taktfrequenzen 73,74,75 der Quellen 70,71,72 mit den Mittenfrequenzen von Schmalbandverstärkern 76,77,78 übereinstimmen.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungen 70,71,72 jedes Frequenzgenerators 73,74,75 und die Strahlungen jeder Chopperanordnung ein separates Spektralfilter 96,97,98 aufweisen.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektralfilter 96,97,98 schmalbandige Interferenzfilter sind.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spektralfilter 46,47 über einen motorischen Antrieb 52 in die Teilstrahlengänge 62,63 geschwenkt werden.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der Chopperanordnung 53 mit Lichtschranken 50 abgetastet werden, und daß die Lichtschrankensignale 58,59 die Verstärker 48,49 bezüglich Mittenfrequenz und Phasenlage steuern.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutwerte der Integrale 21,22 in einem Speicher 67 abgelegt werden, und daß anschließend der Logarithmus der Differenz der Integrale in einen Mikrokontroller 68 gebildet und mit einem Faktor multipliziert wird, wobei die Differenz der Integrale vorher einer Mittelwertbildung über mehrere Perioden unterzogen wird.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Meßzelle 99 mindestens ein Referenz-Strahlungssensor 86,87,88 angeordnet ist und daß Verstärker 93,94,95 nachgeordnet sind, die die Strahlungsintensitäten vor dem Eintrittsfenster 89 erfassen und diese zur Korrektur der Signale der Schmalbandverstärker 76,77,78 an den Mikrokontroller 84 weiterleiten
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